新能源材料在汽车中的应
用
复材1301-17-李正祥
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摘要 .........................................................................................................3 abstract ....................................................................................................3
一、导言 .................................................................................................4
二、新能源汽车 .....................................................................................5 2.1新能源汽车的定义 ......................................................................5 2.2新能源汽车所用新材料的调研 ..................................................6 2.2.1驱动电机材料 ..........................................................................6 2.2.2动力电池材料 ..........................................................................6 动力电池的介绍 ...............................................................................7 电池工作原理 ...................................................................................8 电池反应的可逆性 ............................................................................8 锂离子电池 .....................................................................................10 2.2.3无线充电技术 ........................................................................11 2.2.4轻量化材料——复合材料蜂窝夹层结构 ..............................12 复合材料蜂窝夹层结构与特点 ......................................................13 车用复合材料的特点 ......................................................................13 复合材料的功用和性能 ..................................................................14 铝蜂窝夹心 .....................................................................................14
三、混合动力车 ...................................................................................15
四、参考文献 .......................................................................................18
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摘要
20世纪90年代以来，随着技术的进步，以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为代表的新能源汽车涌现出来。近年来，随着国际能源供应的持续紧张、原油价格的持续上涨以及全球环境保护呼声的日益高涨，新能源汽车的技术研发和产业化发展受到了越来越多的重视，以美国、欧洲和日本为代表的发达国家和以巴西为代表的发展中国家都积极展开了新能源汽车产业发展的实践。中国作为崛起中的大国，近年来汽车销售量快速增长，石油需求大幅增加，导致石油对外依存度急剧上升，并且快速的工业化导致了污染加重、温室气体排放大幅增加的局面。在这样的背景下，中国发展新能源汽车就具有了重大的现实意义，不 仅有利于降低对石油的依赖、保证我国的能源安全，也有利于我国的环境保护和可持续发展，并为我国汽车产业实现跨越式发展提供了重要的战略机遇，可以说，中国对于新能源汽车的需要是越来越迫切了。但是，新能源汽车不仅技术种类多，各种技术在技术成熟度、成本、使用燃料、清洁性等各个方面都存在许多差异，并且新能源汽车的产业化发展涉及燃料与基础设施发展、市场需求培育、对传统汽车的替代等方面往往都需要大规模的投入，因此中国如何根据自身的实际情况，结合新能源汽车技术的特点，制定合理的技术发展路线和产业化发展战略，就成为我国新能源汽车产业发展的重要课题。
abstract
Since 1990s, Alternative Fuel Vehicles like Hybrid Electric Vehicle, Electric Vehicle and Fuel Cell Vehicle were emerging as the development of automobile technology.In recent years, with the soaring crude oil price due to shortage of supply and rising demand on environment protection, the R&D and commercialization activities were highly invested, especially in US, Europe, Japan, Brazil and etc.As an emerging giant, China is increasingly suffering from high dependency on imported crude oil due to soaring vehicle sales and also the growing demand on oil.Meanwhile,increasing consumption of oil and quick industrialization are leading to heavy pollution and exhaustion of greenhouse gas.Therefore, China is highly expected to rely on Alternation Fuel Vehicles that may secure national energy supply by reducing the dependency on oil, promote environment protection and sustainable development,and also bring a great opportunity of leaps on technology for domestic automakers.However, Alternative Fuel Vehicles are highly diverse in technologies and also characterized by different levels of technology maturity, cost, fuel, cleanne and
3 etc.Furthermore, the commercialization of Alternative Fuel Vehicles needs heavy investment on fuel and infrastructure development, market demand extension,substitution to traditional vehicles and etc.Therefore, it will be an important iue for China to design reasonable technology development road map and commercialization strategy for Alternative Fuel Vehicles according to the fact of China and the traits of different Alternative Fuel Vehicles technologies.
一、导言
20世纪90年代以来，随着环境保护呼声的提高和近年来国际能源供应尤其是原油供应的持续紧张，主要发达国家的研究机构和汽车厂商纷纷加大了对新能源汽车技术的开发投入，以替代以石油为燃料的传统汽车，形成了多种技术共同发展的局面，部分技术已经在商业化领域取得了重要进展。以日本、美国和欧盟为代表的主要国家和地区，特别是丰田、宝马、通用、本田、大众等主要汽车厂商根据本国和公司的实际情况，先后采取了不同的新能源汽车技术发展策略，研发成功了多款新能源概念车型和应用车型，其中一些成熟的技术己经成功实现了产业化。目前的新能源汽车技术主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车、乙醇燃料汽车、生物柴油汽车、天然气汽车、二甲醚汽车等类型。日本在混合动力汽车方面技术最为先进;美国将新能源汽车研发重点放在氢能和燃料电池汽车，同时大力推动生物燃料汽车的产业化;欧洲在混合动力、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车方面都有设计，在产业化领域也大力推广生物燃料汽车。其他国家也积极加入到新能源汽车的研发与应用领域，巴西在生物燃料汽车应用方面处于世界领先水平，是目前最大的乙醇汽油和生物柴油汽车应用国家之一;挪威和加拿大积极发展氢能源，都提出了建设“氢高速公路”计划，并已经取得了重要进展。
随着我国经济发展和居民收入的提高，加入WTO后从2002年开始我国汽车产业出现了快速发展的趋势，经过短短6年的发展，我国汽车年销售量就实现了翻番，达到了800万辆以上，成为世界第二大市场。但是在汽车产业快速发展的同时，我国石油供应却持续出现紧张，对外依存度不断提高，汽车造成的环境污染和温室气体排放严重威胁我国的可持续发展。因此，在发展汽车产业方面，我国应当避免重走发达国家的“先污染后治理”的老路，积极发展新能源汽车，降低对石油燃料的依赖，促进我国的可持续发展。
二、新能源汽车
2.1新能源汽车的定义
新能源汽车是相对于传统燃料汽车而言的，由于新能源汽车发展较晚，目前尚没有被统一认可的定义。按照定义范围的大小，可以分为广义新能源汽车和狭义新能源汽车两种。
广义新能源汽车，又称代用燃料汽车，是指使用了除汽油和柴油等石油能源作为动力来源的汽车，既包括了全部使用非石油燃料的汽车如纯电动汽车、燃料电池电动汽车，也包括部分使用非石油燃料的汽车如混合动力电动车、乙醇汽油汽车等。这种定义涵盖了目前新型动力汽车，主要可以分为混合动力电动汽车(HEV，又称混合动力汽车)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车(FCHV或FCV，又称燃料电池汽车)、氢燃料汽车、二甲醚汽车、甲醇汽车、天然气(包括压缩天然气CNG，液化天然气LNG和液化石油气LPG)汽车、乙醇燃料汽车等。
狭义新能源汽车的定义缩小了汽车动力来源范围。按照2007年公布的国家《新能源汽车生产准入管理规则》的定义，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气(NG)、液化石油气(LPG),乙醇汽油(EG)、甲醇、二甲醚之外的燃料。新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车(BEV，包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV ),氢发动机汽车、其他新能源(如高效储能器)汽车等。按照这个定义，甲醇汽车、天然气(包括压缩天然气CNG，液化天然气LNG和液化石油气LPG)汽车、乙醇汽油汽车等均被排除在外。狭义新能源汽车代表了新能源汽车中科技含量高、燃料清洁的技术，这样的分类方法有助于国家制定相关产业政策。但是这样的分类方法也将很多有潜力的代用燃料汽车如乙醇燃料汽车、天然气汽车等排除在外，可能造成公众对这些代用燃料的能量效率和环保效果产生错误的认识，不利于这些代用燃料汽车的推广。特别是对中国这样的发展中国家来说，由于狭义新能源汽车都属
于新兴技术、技术要求和成本都比较高，短期内很难进行产业化，而代用燃料汽车如天然气汽车、生物燃料汽车等在能量效率和环保方面存在积极作用，尤其是对于中国这样一个发展中的汽车新兴市场来说，这些代用燃料汽车具有成本较低、技术过渡相对容易的优点，完全可以成为我国汽车技术革新的过渡性技术。
因此，本文所定义的新能源汽车采用的是广义新能源汽车定义。
由目前的研发状况可知，新能源汽车分类的主要依据是动力创新，其主要可以分为以下3种:①混合动力汽车。选择电动机加发动机的模式，利用电能和油耗来产生动力。②纯电动汽车。电力驱动是研发新能源汽车的大方向，虽然它的优点很多，但是，
5 车载电池储电、电池寿命、电车成本等是影响其发展的主要因素。③氢动力汽车。传统的汽车油耗大，会排放大量的污染物，而氢能源汽车排放的则是纯净水。另外，新能源汽车还包括燃气汽车、空气动力汽车、甲醇汽车、飞轮储能汽车和超级电容汽车等。
2.2新能源汽车所用新材料的调研
要想让新能源汽车真正超越传统能源汽车，就一定要加大对关键材料的研究力度，并有所突破。现阶段，这些关键材料的研发工作已经基本完成。这些材料主要有:①驱动电机材料，它是将能源转化成汽车驱动力的核心材料;②动力电池材料，它能够保证汽车的电力存储;③轻量化材料，它能适应新能源驱动、减少能源淆耗。
2.2.1驱动电机材料
与新能源汽车电池技术相比，驱动电机技术比较成熟。自从国家“863”重点科技公关项目颁布后，我国在这方面取得了一定的成绩。虽然现有的驱动电机基本符合整车的需求，但是，仍然没有研发出驱动电机的上游部件，即驱动系统控制元件，它还是依靠进口。
在不同的驱动电机中，永磁同步电机可以满足电动汽车的动力要求。其中，永磁材料是永磁同步电机的核心部分。稀土资源尤其是稀土资源中的钦元素是新能源汽车驱动电机研究的主要方向，它在新能源汽车的研究开发过程中是无可替代的。因为新能源汽车的整体设计趋于小型化、大功率，而稀土元素正好符合这种设计的需求，所以，稀土元素对于新能源汽车中的混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车的驱动电机是十分重要的，并且其需求量很大。如今，全世界磁性最优的永磁体就是钦铁硼，而稀土中的钦是制造高功率轻质磁铁，即钱铁硼永磁体的主要材料之一。自21世纪以来，丰田、日产、本田、尼桑、三菱和通用等一些汽车生产厂家在新能源汽车的研究方面投人了很大的精力，并且大多数的新能源汽车都运用了稀土永磁电机。
2.2.2动力电池材料
近期，国内电池工业获得了较大的发展，在国际上有一定的影响力。我国的锉资源藏量十分丰富，位居世界第三，这为新能源汽车锉离子动力电池的研究和开发创新奠定了坚实的基础。在镍氢电池的成本造价中，镍占到全部造价的3/S.在铿离子电池的四大主要组成材料中，电解液、正极材料、负极材料和隔膜大约各自占成本造价的1/4.通常情况下，我国新能源动力电池的正极材料选用磷酸铁锉，因此，锰酸锉也得到了相应的发展。在日系电池中，新能源动力电池大多采用锰酸锉和镍、钻、锰三元材料;在美系电池中，大多选用磷酸铁铿作为新能源动力电池的正极材料。在新能源动力电池材料的应用方面，因为稀土具有高环保
6 性、极低污染度、高安全性和十分耐用等优点，所以，稀土贮金合氢被广泛应用于混合动力汽车配套的镍氢动力电池中。
动力电池的介绍
目前，混合动力汽车采用的动力电池主要是铅酸、镍氢以及理离子电池。随着混合动力汽车的日益推广，近年来，相关电池技术的研发取得到了突破性进展，电池的多种性能取得了提高。
1.铅酸蓄电池是目前汽车领域应用最为广泛的电池。其技术成熟，产量大，成本低。新一代阀控式密封铅酸蓄电池(valve-regulated lead acid battery, VRLA)不须维护，允许深度放电，可循环使用。
在混合动力汽车的应用中，动力电池经常工作于一个高倍率荷电状态，对电池的比功率要求较高。成本低、技术成熟、性能可靠使阀控式密封铅酸蓄电池在轻度、中度混合动力汽车中具有一定的应用前景。例如戴姆勒公司开发、生产的轻度混合动力Onion，使用铅酸电池作为动力电池。虽然铅酸电池的开路电压较高，但是铅酸电池的比能量较低，而且在高倍率充放电时会严重降低电池的寿命。
2.镍氢电池由镍基和碱性溶液电解液构成，是目前混合动力汽车最具竞争力的动力电池之一。商业化的混合动力汽车大多数采用镍氢电池技术。镍氢电池由氢氧化镍的阳极和由钒、锰、镍等金属形成的多成分合金阴极组成。相对铅酸电池，镍氢电池能量密度比提高了近3倍，如表1.2所示，比功率方面提高了近10倍。但是镍氢电池的SOC实际的利用范围很小，以至于镍氢电池储存的大部分能量并没有被实际使用。例如Prius只能使用电池20%的能量。另外，是否可以准确测量镍氢电池的SOC直接影响其使用寿命及充放电效率。
3.离子电池以碳为阳极，以碳酸乙烯酷和碳酸二甲酷溶解六氟磷酸理溶液为电解液，以二氧化锰酸理为阴极。
锂离子电池比镍氢电池具有更高的工作电压和的比能量，大致是镍氢电池的3倍。锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染。
但是，在使用过程中发现，锂离子电池仍然存在问题，如安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应。目前，由于锂电池组的管理系统中一些核心技术不成熟(如均衡充电技术)，商业化的锂电池主要以小容量为主。大容量、高功率的理离子电池尚未大规模量产，同时，成本过高也是锂离子电池并未普及的重要原因之一。
目前在混合动力汽车中，应用较多的是磷酸铁理电池，它具有磷氧共价键结构，热稳定性和安全性较好，价格相对便宜。在部分混合动力汽车和插电式混合动力汽车上有应用。
7 电池工作原理
当电池为负载供电时，电子从负极(或者电池外部的阳极+)流向负载，并经由负载流回正极(或者电池外部的阴极一)。此时，负极被氧化，正极被还原。当蓄电池充电时，电流流动方向与放电方向相反。正极被氧化，负极被还原，电能被转化为化学能存储在电池内部。
电池内部的过电势分析
当电池中发生化学反应时，电极上发生化学反应和电反应等两方面反应，属于非均相反应。电池反应机理复杂，常常包括多个步骤，带电粒子通过迁移、扩散和对流形式完成物质传递，然后发生反应。电化学反应涵盖于整个电极反应过程之中。但是，电化学反应的整体速度由反应中最慢的步骤决定，这一步骤也称为决定步骤。设定还原电极的电势比电解液低时，则还原电极中的电子就具有更高的能量。当能量足够高时，电子就可以跃迁到新轨道上。因此，就发生了电子从还原电极向电解液的移动。反之，就会发生电子由电解液向还原电极的移动。电池电势，即反应过程中氧化、还原电极之间具有驱动电荷能量的尺度。电池电势几乎全部落在化学反应池中的两相界面上，界面电势影响着化学反应中两极间的相对能量，并且控制着化学反应方向和发生的速度。电池反应中，如果氧化、还原反应速度一致，则电池反应整体速度为零。
此时，氧化、还原反应具备的能量一致，电池的等效电势为平衡电势。当反应向一侧倾斜时，电池电势偏离平衡点，产生的电势偏差为电池内部过电势。同时，由于反应物在电解液内部和电解液/电极的界面处浓度产生偏差，形成了浓度差，进一步导致物质传递的发生;另一个需要考虑的因素，即放电电压和电流对应的阻抗关系，在某种情况下，对应的阻抗为变值。
电池反应的可逆性
电池反应中存在多种能量传递的过程，在区分其可逆性时通常会涉及以下几种划分方式。
1北学可逆性:在电池的反应中，如果电流方向的改变只改变了电池反应的方向，并且没有发生新的反应，则电池反应在化学上是可逆的。如果伴随着电流方向的改变，还有新的反应发生，该电池反应在化学上是不可逆的。
2.热力学可逆性:只要存在一个反向驱动就可以使电池反应在连续的平衡状态间反向进行，则称该电池反应为热力学可逆。如果电池是化学不可逆，则不具备热力学可逆性。
3.实际意义上的可逆:具体的化学过程都不能满足严格的热力学可逆性，但可以在一定的前提条件下满足热力学可逆性。判断可逆性的依据:如果化学过程符合Nernst公式，即称其反应符合热力学可逆性。
充放电过程中发生在MH/Ni电池正负极上的电化学反应均属于固相转变机制，整个反应过程中不发生任何中间态的可溶性金属离子，也没有任何电解液组成的消耗和生成。因此，MH/Ni电池可以实现完全密封和免维护，其充放电过程可以看成是氢原子或质子从一个电极移向另一个电极的往复过程。充电过程中，正极活性物质中的H\'首先扩散到正极/溶液界面与溶液中的OH一反应生成Hz0。接着，溶液中游离的H\'通过电解质扩散到负极/溶液界面发生电化学反应生成氢原子并进一步扩散到负极材料贮氢合金中与之结合形成金属氢化物。放电过程正好是充电过程的逆过程。
电池在进行过充放电时，其反应原理可表示为
通常，MH/Ni电池采用正极限容的方法设计，负极的容量大于正极的容量，正负极容量之比为1.1.2到1 :1.4}13}。这样，在充电末期和过充电时，正极上析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合还原为Hz0和OH一进入电解液，从而避免或减轻了电池内部压力积累升高的现象。过放电时，正极上析出的氢气通过隔膜扩散到负极表面可以被贮氢合金迅速吸收。因此，MH/Ni电池具有较强的耐过充放电能力[14]0 从上面的过程可以看出，在过充和过放过程中，由于贮氢合金的催化作用，可以消除正极产生的Oz和HZ，从而使电池具有耐过充过放电能力。为了保证氧的复合反应，在电池设计方面，MH/Ni电池采用正极限容的方法设计，负极的容量大于正极的容量，正负极容量之比为1:l.2到1:1.4。这样，在充电末期和过充电时，正极上析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合还原为HZO和OH一进入电解液，从而避免或减轻了电池内部压力积累升高的现象，否则，在电池过充时，MH电极又会产生大量氢气，造成电池内压上升;而在过放电时，正极上析出的氢气通过隔膜扩散到负极表面可以被贮氢合金迅速吸收，否则，在电池过放电时，MH电极上会析出氧，从而使MH合金被氧化。
9 锂离子电池
锂离子电池的概念由M.Armand在1980年提出。他提出了摇椅式锂二次电池的想法，即正负极材料均采用可以储存和交换锂离子的层状化合物，充放电过程中锂离子在正负极间来回穿梭。
Sony公司于1989年申请了以石油焦为负极、LiCoO2:为正极、LiPFb6溶于PC+EC混合溶剂作为电解液的二次电池体系的专利。并在1990年开始将其推向商业市场。由于这一体系不含金属锂，日本人命名为锂离子电池，这种说法最终被广泛使用。
锂离子电池工作原理如图1-3所示。充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，通过电解质扩散到负极，并嵌入到负极晶格中，同时得到由外电路从正极流入的电子，放电过程则与之相反。正负极材料一般均为嵌入化合物，在这些化合物的晶体结构中存在着可供锂离子占据的空位。空位组成1维，2维或3维的离子输运通道。
锂离子电池根据正极材料的不同，又分为钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离电池、磷酸铁锂锂离子电池和三元材料锉离子电池。使用不同正极材料的锂离子电池其电池特性不尽相同，但作为电动汽车用动力电池，首要考虑的是安全问题，基于此点，目前国际上的锂离子电池以尖晶石型锰酸锂锂离子电池和橄榄石型磷酸铁
10 理锂离子动力电池为主。两种材料各有优点:尖晶石型锰酸铿具备更高的工作电压平台，因此其具备更好的质量比能量和体积比能量;橄榄石型磷酸铁锂则具备更优的循环寿命和热稳定性[[20]。从目前的主流来看，橄榄石型的磷酸铁埋锂离子电池占据了更大的市场，欧洲、美国包括我国的锂离子动力电池均是主要以磷酸铁锂为正极材料。而锰酸锂锂离子电池则主要有日本的支持，虽然从数量上来看，锰酸锂的支持率较低，但日本本身是电池行业的技术强国和制造大国，因此，锰酸锂材料的发展不容忽视。
LiFePO6是一种稍微扭曲的六方密堆积结构。在LiFePO4晶格中，P占据四面体位置，锉、铁填充在八面体的空隙中，晶体由FeO6八面体和P06四面体构成空间骨架。每一个Fe O6八面体与周围4个Fe0。八面体通过公共顶点连接起来，形成锯齿形的平面，这个过渡金属层能够传输电子。各Fe-0平面间相互平行，由P06四面体连接起来，每一个P06与一Fe0。层有一个公共点，与另一Fe06层的有一个公共边和一个公共点，PO6四面体之间彼此没有任何连接。
2.2.3无线充电技术
根据能量传输机制的不同，无线充电的种类可以分为一下四种形式:
（1）电场祸合式能量传输。电场祸合方式，即静电感应式，利用容性藕合传递能量。该系统主要由能量发射部分和能量接收部分组成，能量的传输过程中，在发射端和接收端分别设置电极，通过极板间产生的电场来实现能量的无线传输。这种传输方式主要用于小功率传输方面，且技术相对不成熟，不适用于电动汽车充电。
(2)电磁感应式能量传输。磁场祸合式又称ICPT ( Inductively Coupled Power Transfer )，利用电磁藕合原理传输能量。ICPT主要以磁场为媒介，利用初级线圈与次级线圈的松藕合，在次级线圈产生交变电流，从而将能量从传输端传递到接收端，实现无电气连接的电能传输。电磁场可以穿透一切非金属的物体，所以电能可以穿透很多非金属材料进行传输。ICPT传输功率大，理论模型与技术都相对较为成熟。同时，在原、副边线圈接入谐振电容使其工作在谐振状态，可大大提高系统效率与传输距离。电磁感应式电能传输是一种传输功率与效率较高且最易实现的非接触式电能传输方式，也是现阶段研究和发展的重点方向〔}z}，非常适合用于电动汽车无线充电。
(3)磁共振式能量传输。磁共振式又称为WiTricity技术，是由美国麻省理工学院的研究
人员于2007年提出来的，利用共振电路之间的共振现象进行供电，符合祸合模理论。当发射线圈与接收线圈调整到相同频率或者说在一个特定的频率上共振时，它们就可以交换彼此的能量。拥有相同自谐振频率的两个线圈可以通过电磁场高效传能，而频率不同的物体却基本不受磁场的影响，它是一种近场非辐射
11 电能传输技。磁共振式无线能量传输实现了磁场的高效祸合以及中等距离能量的高效传递，适用于大功率传输，是当前的研究热点。但是Writricity技术理论模型比较复杂，国内应用较少，正处于研究阶段。
(4)电磁波式能量传输。就是以电磁波(频率在300MHz-300}Hz之间的电磁波)为载体，在自由空间无线传输电磁能量。将电能转化为电磁波，电磁波通过自由空间传送到确定位置，再经整流滤波转化成直流电能供给负载，现己经应用于卫星供电等外太空远距离无线电能传输领域。电磁波式电能传输存在电磁污染等问题，在有人的地方不适于大规模发展与应用，不适合电动汽车无线充电。
2.2.4轻量化材料——复合材料蜂窝夹层结构
近年来，复合材料作为一种应用材料发展迅速且应用广泛，它具有刚度大、强度高、耐热、耐磨、质量轻等特点，可以满足各种特殊用途，所以也是汽车轻量化材料的选材之一。可以根据实际需要对复合材料的力学性能和功能进行设计，可以通过适当选材和优化设计来得到[3-5]。随着对新型复合材料的不断研究和发展，复合材料将会广泛应用于汽车上，未来的“复合材料汽车”将倍受人们的关注。
作为复合材料的一种特殊结构，复合材料夹层结构由于其比刚度大、重量轻等突出优点，己被广泛应用于航空航天、汽车、建筑及其它工程领域中。蜂窝夹层结构不仅具有重量轻、强度高等优点，而且可以通过控制成型工艺得到平整光滑的外型，具有优异的气动性能，并且可以设计其力学性能、电性能和隔热性能，在航空航天领域得到广泛应用。
结合复合材料和蜂窝夹层结构这二者的特点，本文考虑采用碳纤维复合材料蜂窝夹层结构，它使用碳纤维复合材料层合板作为面板、厚而轻的铝蜂窝作为芯子，茹合剂采用环氧树脂，这种结构具有大的弯曲刚度/质量比、弯曲强度/质量比和可设计性;具有良好的吸声、隔声和隔热等性能。对汽车车身运用这种复合材料蜂窝夹层结构取代钢结构能明显减轻质量。
要将复合材料蜂窝夹层结构进行运用就必须考虑其连接问题。虽然复合材料蜂窝夹层结构具有很高的比刚度、比强度值，但它的连接问题也是一个不能忽视的弱点。为了减轻重量，复合材料蜂窝夹层结构的芯材通常都具有轻、软、薄的特点。像螺栓和铆钉这样的机械接头不能直接与其进行连接。因此为了安装螺栓或铆钉，需要利用镶嵌件和填充材料对芯材进行加固从而支撑紧固件的连接。复合材料夹层结构大部分的破坏是发生在连接部位，连接结构设计是复合材料夹层结构设计的关键部分。要使复合材料蜂窝夹层结构得到广泛的应用，就必须要解决复合材料夹层结构与金属合金系列的相容，即要实现复合材料与金属及合金的连接。因此，连接是复合材料夹层结构作为一种新型材料得到更广泛应用而急待解决的关键问题。
12 复合材料蜂窝夹层结构与特点
复合材料蜂窝夹层结构的组成可分为两大部分，一部分是上下两块高强度的蒙皮(有时也被称为面板)，另一部分是两层蒙皮中间厚而轻的蜂窝夹芯层。通常将上、下蒙皮与芯子用胶茹剂胶接成刚性结构作为一个整体，或者通过直接注塑或模压来制得夹层结构。对于蒙皮材料的选择，目前较多采用复合材料层合板、轻质金属板、胶合板和硬塑料板等，蜂窝芯有铝蜂窝、Nomex蜂窝和玻璃钢蜂窝等。 抗弯刚度大是蜂窝夹层结构的主要结构特点，可以在承受较大的弯曲载荷的情况下使用较小的结构质量，即具有较高的抗弯刚度质量比;良好的耐疲劳性;构件表面光滑平整有良好的气动表面，因而被广泛地用于制造飞机和火箭的外部部件。
车用复合材料的特点
复合材料是由2种或2种以上性质不同的材料，一般是纤维等增强材料与基体材料，通过各种工艺手段组合而成。金属一塑料层叠材料等相似，它的性能与纤维增强塑料(FRP)、纤维增强金属(FRM ) ,具有质量轻、强度高、刚度好的特点广泛盛行于汽车零部件的应用。复合材料是各向异性的非均质材料，一些复合材料己经相较于其他材料，具有以下几个特点
（1）较高的比强度与比模量。比强度是指材料的强度与其密度之比，比模量是指材料的模量与密度之比。对于复合材料零件来说，比强度和比模量越高，零件的自重越小，刚性越大。因此，这对于需减轻自重的输送工具和高速运转的结构件或具有重要意义。
（2）纤维增强复合材料中的增强纤维能够承担外加载荷，而纤维与基体之间的界面可以有效地防止疲劳裂纹的扩展。大多数金属材料的疲劳强度极限远远小于其拉伸强度，是其拉伸强度的30070^\'5007o，而复合材料的疲劳强度极限可以达到拉伸强度的60070^\'80070 0
（3）掺入少量的短切碳纤维在热塑性塑料中可以很大地提高它的耐性。
（4）优良的化学稳定性。纤维增强酚醛塑料可以在酸性介质中长期使用，用玻璃纤维增强塑料可制造化工管道、泵、阀及容器等设备，使其能够耐强酸、盐、酉旨和某些溶剂。_5 )良好的耐高温烧蚀性。纤维增强复合材料中，大部分纤维的熔点(或软化点)
（5）一般都在2000 0C以上，玻璃纤维除外，它的软化点较低大约为700-900 0C，将这些高熔点纤维与金属基体组成的复合材料，能够提高高温下的强度和模量。
（6）良好的工艺性与可设计性。为了得到满足不同强度和刚度等性能要求的构件，可以通过调整增强材料的形状排布及含量来实现，而且材料和构件都可以
13 一次成型，这不仅减少了零部件、紧固件和接头的数目，也大大提高了材料利用率。
复合材料的功用和性能
与传统材料相比，复合材料具有诸多优点，例如:比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好及减振性能好等。从性能上说，复合材料中的各个组成材料发挥协同作用，这一优越的综合性能是任何单一材料都无法模拟的。正因为如此，复合材料己被广泛应用于汽车工业中，汽车车身、前后护板、灯壳罩、保险杠、座椅架及驱动轴等部件的设计与制造均己用到复合材料「‘“]。由于复合材料优越的性能，能够满足车身轻量化的要求，有效地降低油耗。以薄钢板为主的单一材料作为车身材料的传统汽车，己经不能够适应人们同时追求高速与轻量化两方面的要求。为了进行轻量化设计减轻汽车质量，同时改善风阻系数和降低燃油消耗，越来越多的汽车企业都积极研究，通过新型材料的使用来满足上述要求。车身轻量化过程中应用的复合材料的类型也越来越多，复合材料在汽车的轻量化设计中的地位尤为重要。节约能源、减轻排放污染是汽车轻量化的主要目的，同时在可持续发展战略中环境保护也是必不可少的条件，复合材料的快速发展使得材料可以长期使用并且能够再生。
铝蜂窝夹心
铝蜂窝夹芯作为复合材料夹层结构的夹芯材料具有质量轻强度大的有点，蜂窝的形状也有很多种，目前主要有正方形、圆形、菱形、正六边形等，对比各种形状结构与性能，正六边形结构整齐美观，生产制造简单、材料使用少、结构效率高，性能方面更加耐压、耐拉，是目前应用最广泛的类型。正六边形铝蜂窝芯主要有一下几个性能特点：
（1）密度小:蜂窝材料是一种不连续的多孔、大孔材料，而且铝蜂窝的横截面积比较小、孔径较大，因此蜂窝的密度远远小于材料本身的密度;
(2)优越的平整度和刚性:通常蜂窝芯子主要承受竖向载荷，并且每个蜂窝夹层结构都是由无数个固定的蜂窝组成，因此本身结构状态非常稳定，在受到较大外界力量冲击的情况下，也能够保很好的持其形状不发生变形破坏;
(3)疲劳性好:由于复合材料夹层结构是面板和芯子是通过胶茹剂胶接在一起，不采用大面积的铆接，能够有效地减少应力集中提高结构的疲劳强度;
（4）隔音、隔热性能好:虽然铝蜂窝本身并不具有隔音、隔热性能，但是蜂窝夹层结构却具有良好的隔音、隔热性能。这是因为在蜂窝夹层结构的蜂窝芯子中，仅有1%~3%的体积是实体材料，其他空间内是密封的空气，而空气具有良好的隔音、隔热性能，比任何固体材料都要优越(空气中热能和声能的传播受到极大限制)，因此夹层结构具有良好的隔热、隔音性能;
(5)减震性能好:由于铝蜂窝芯子是由许多相互粘结的小蜂窝组成的，其结构犹如许多粘结在一起的小工字梁，因此在承载时结构就可以分散承担来自各方面的压力;
正是由于铝蜂窝芯具有以上诸多优点，因而在各行各业都得到了广泛应用，其中应用比较突出的是在航空航天和军事领域，近几年在汽车、火车、建筑幕墙和高档板材(室内装饰、各类门业)等领域也表现出欣欣向荣的发展趋势。
三、混合动力车
混合动力汽车英文缩写为HEV，即Hybrid Electric Vehicle o 2003年，联合国将“混合动力车”的定义规定如下:所谓混合动力车是“为了推动车辆的革新，至少拥有两个能量变换器和两个能量储存系统(车载状态)”的车辆。由于目前混合动力汽车广泛采用电动作为辅助或者主要动力，如果更严格的定义，根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议，对混合动力汽车的定义为:有多于一种的能量转换器能提供驱动动力的混合型电动汽车，即使用蓄电池和副能量单元(Auxiliary Power Unit。简称APU)的电动汽车。这个辅助动力单元实际上是一部燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组。燃料可以是汽油，柴油，也可以是甲醇，酒精，液化石油气，天然气等代用燃料。选用的原动机可以是内燃机，也可以是燃气轮机等其它热机。它主要包括内燃机，电动机，发电机，蓄电池以及控制系统等，根据汽车运行工况的要求，内燃机与电动机进行优化祸合，以实现汽车的良好的动力性，燃油经济性，排放性能，可靠性，安全性和适用性等指标。混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。
经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力汽车是传统内燃机汽车与电动汽车相结合的产物，它继承了电动汽车低排放的优点，又发挥了石油燃料高的比能量和比功率的有点，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程，在由内燃机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着重要的角色。
目前主要的混合动力汽车按照动力系统结构，可以主要分为串联式混合动力汽车((SHEV )、并联式混合动力汽车(PHEV)和混联式混合动力汽车(PSHEV ) o串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle SHEV)，其混合动力系统用电动机驱动车轮，电动机的电力来自发动机。串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机一电动机组和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电 15 动机，由发动机一发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。山于内燃发动机的动力是以串联的方式供应到电动机，所以称为“串联式混合动力系统”。并联式混合动力电动汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle } PHEV)，混合动力系统使用电动机和发动机两种电力来驱动车轮用发动机来给HV蓄电池充电，并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动一发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。混联式(串、并联式)混合动力电动汽车(Split Hybrid Electric Vehicle } PSHEV)，混合动力利用电动机和发动机来驱动车轮，并可用发电机来发电及自行充电。混联式混合动力利用电动机和发动机这两个动力来驱动车轮，同时电动机在行驶当中还可以发电。根据行驶条件的不同，可以仅靠电动机驱动力来行驶，或者利用发动机和电动机驱动行驶。另外还安装有发电机，所以可以一边行驶，一边给HV蓄电池充电。基本结构由电动机、发动机、HV蓄电池、发电机、动力分离装置、电子控制单元(变压器、转换器)组成。利用动力分离装置将发动机的动力分成两份，一部分用来直接驱动车轮，另一部分用来发电，给电动机供应电力和HV蓄电池充电。
电池是混合动力汽车的关键部件之一。目前HEV电池的主流产品是镍氢（Ni-MH）电池，主要的生产厂商是日本三洋和松下公司，美国的生产厂商Cobasys Johnson Control SAFT等公司也先后加入到镍氢电池的研发和销售。Ni-MH电池具有高能量、高功率、长寿命、较好的高低温性能、比较容易进行串并联组合等特点，目前大部分商业化的HEV基本都是采用Ni-MH电池。铿电池(Li-ion)目前尚处于研究改进和使用阶段，其主要优势在于具有较高的比能量，可以使电池做得更小、更轻;具有较好的充放电效率和低的自放电率，可以提高电池的能量效率，具有较大的潜在降价空间。但是铿电池仍然存在一定的缺陷，目前的铿电池技术存在的问题主要是价格太高，高温下使用寿命较短，低温时放电率下降，没有耐过充、过放机制，串并联需要严格挑选等。HEV铿电池技术的缺陷有待于进一步研究和开发来解决。
混合动力汽车与传统汽车相比，最突出的特点就是其燃油经济性，一般比传统汽车节约燃油30 %-50 %2007年12月19日，本田中国公布了与清华大学合作进行的混合动力思域的油耗测试结果，试验结果表明，思域新混合动力车在北京市实际道路上节油效果明显，比常规汽油车节油36%至41%，综合节油效果为38%。混合动力车与纯电动汽车相比，既可用常规内燃机作动力，又可结合混合动力，在同等条件下，比纯电动汽车节约电能70 %-90%，一次充满油、电后， 16 可使持续行驶里程达到500-1000公里左右。
1997年，丰田汽车推出了世界上第一款混合动力汽车PRIUS。第一代PRIUS采用串联式镍氢电池，发动机为1.5L汽油发动机，每升汽油行程距离达28km,C02排放比普通汽车低减少50% } CO和氮氧化物的排放量仅为普通汽车的10% 。随着混合动力的成功，本田、通用、福特等主要汽车厂商纷纷加入到了混合动力汽车的研发和生产中，部分车型已经成功实现了商业化。
但是混合动力电动汽车由于存在着价格高、效率低、仍然使用较多汽油/柴油的问题，因此远景并不乐观。目前HEV的发展方向是可外接充电式混合动力电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle } PHEV ) o PHEV是指可以使用电力网包括家用电源插座，例如220V电源)对动力电池进行充电的混合动力电动汽车。1990年加州大学Davis分校的Andy Frank教授开始研制PHEV原型车， 2001年美国能源部(Department of Energy DOE)在加州大学Davis分校成立了PHEV国家工程中心。2000年EPRI Market Study发起成立了Hybrid Electric Vehicle Alliance (HEVA)，该组织的任务是促进PHEV的商业化;自2004年9月以来，戴姆勒克莱斯勒和EPRI一直在进行PHEV delivery van (Sprinter)示范。2006年11月通用汽车宣布制造PHEV Saturn Vue的计划，2007年1月在北美国际车展亮相了插电式混合动力车概念车雪佛兰Volt.PHEV具有低噪音、零排放及高能量效率的特点，PHEV介于纯电动和常规混合动力电动汽车之间，里程短时采用纯电动模式，里程长时采用以内燃机为主的混合动力模式;可利用外部公用电网(主要是晚间低谷电力)对车载动力电池进行均衡充电，不仅可改善电厂发电机组效率、解决电价问题，而且可大大降低对石油的依赖，从而减少去加油站加油的次数。因此可外接充电式混合动力电动车是一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车过渡的最佳方案之一。以雪佛兰Volt为例，它通过两个额定功率为40kW(最大为120kW)轮边电机驱动前轮的驱动方式，配合1.0L排量3缸涡轮增压汽油发动机，以及最大输出功率为53kW的发电机。发动机和发电机安装在车前部的发动机舱中，铿离子充电电池则配备在车辆的中央通道位置。雪佛兰Volt概念车的车载电池采用美国A123公司生产的铿离子充电电池，其容量为16kWh，这是丰田汽车销售的现有混合动力车普瑞斯(Prius)装备的电池容量的12倍。该锂离子电池可以利用家用电源充电，充电1次可作为电动汽车行驶约64kM。同时，Volt概念车每天仅需一个110V接口充电6个小时，就可以充满。如果该车做充分充电之后，在64公里的行车距离中根本不用消耗燃料。一旦电池即将耗尽，发动机带动发电机发电，此时耗油量相当于每升可以行车42公里(折合2.4升/百公里)。这样的油耗是传统混合动力车和汽油车所望尘莫及的。动力电池和充电基础设施是实现Plug-in HEV的最关键技术。目前由于电池尺寸、成本、寿命以及充电基 17 础设施等其他因素使得PHEV的成本很高，但是随着电池和混合动力控制技术的发展，PHEV很有可能会成为未来的一种汽车。
四、参考文献
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2008年
罗少文
复合材料蜂窝夹层结构性能与连接研究及其在汽车车身上的应用 2012年杨柳
比亚迪新能源汽车消费的影响因素研究
2010年 陈晓红
电动汽车无线充电系统设计
2012年
翟鹏伟
混合动力汽车动力电池容量预测模型及抗扰策略的研究 镍氢动力电池在混合动力大巴上的应用研究
2011年
2013年徐舟
高纯斌
